Термоэлектрические охладители для портативных косметических лазеров

Портативные лазеры для удаления волос стали стандартным устройством в косметической хирургии и в медицинских спа. Ручные косметические лазеры предлагают широкий спектр косметических преимуществ с минимальным повреждением тела и сокращением времени восстановления пациента. Несмотря на то, что тысячи микроскопических лазерных лучей точно контактируют с кожей, этот процесс не влияет на окружающие ткани. Однако лазеры генерируют значительное количество тепла, которое необходимо быстро и эффективно рассеивать для защиты пациента и лазерной электроники. Термоэлектрические охладители обеспечивают активное охлаждение для более эффективного и надежного отвода тепла по сравнению с другими решениями для контроля температуры.

Обзор приложения

Хирурги традиционно использовали портативные лазеры в медицинских процедурах для сверхточных разрезов тканей, абляции или коагуляции. Эти практически бескровные процедуры сводят к минимуму термическое повреждение окружающих тканей и сокращают время восстановления. Эти преимущества привели к тому, что портативные лазеры используются в различных косметических процедурах, включая уход за кожей, уменьшение жира, удаление волос и удаление татуировок. Портативные косметические лазерные системы просты и удобны в использовании с предварительно заданными рабочими параметрами, которые обеспечивают надежную обработку как поверхностных, так и глубоких участков кожи с превосходной точностью.

Есть два основных типа лазеров, используемых для косметических процедур. Абляционные лазеры удаляют поверхность кожи, что может привести к образованию корок, значительному простою и некоторому дискомфорту. Неабляционные лазеры не повреждают поверхность кожи и, как правило, являются более мягким вариантом, оставляя легкое покраснение и раздражение.

Косметические лазерные двигатели состоят из высокоэффективного лазера, теплораспределителя, конвекционного охлаждающего устройства и оптического линзирующего элемента, которые находятся внутри радиального радиатора. Лазерный двигатель сконструирован так, чтобы рассеивать как можно больше тепла, чтобы обеспечить более длительное время работы при максимальной мощности.

Многие более совершенные портативные косметические лазеры обеспечивают прямое охлаждение кожи во время воздействия лазера на пациента. Для охлаждающей способности требуется отдельный охлаждающий механизм, отличный от того, который используется для охлаждения лазера.

Требования к охлаждению

Портативные лазеры выделяют значительное количество отработанного тепла, которое может повлиять на характеристики лазеров во время работы. Производители сталкиваются с рядом проблем, связанных с управлением температурным режимом, такими как стабильность температуры, нехватка места, вибрация и снижение энергопотребления.

Отработанное тепло значительно влияет на характеристики лазера и должно эффективно отводиться от чувствительных компонентов лазера. Тепло, выделяемое портативным лазером, может составлять от 5 до более 200 Вт в зависимости от области применения. Для оптимальной работы лазеру требуется стабильная рабочая температура 20  C ± 0,5  C, в то время как температура окружающей среды может колебаться в зависимости от температуры окружающей среды.

Термическая стабильность является особенно сложной задачей из-за ограничений форм-фактора портативного косметического лазера. Миниатюризация портативных лазеров побудила инженеров упаковать больше электроники в меньшую площадь. Больше электроники увеличивает функциональность, например, сочетая охлаждение кожи с обработкой, однако это также увеличивает сложность теплового решения. В результате тепловые компоненты должны обеспечивать улучшенный контроль температуры и направлять теплоотвод через жесткие геометрические ограничения пространства. Поскольку это портативное устройство, его компоненты также должны выдерживать удары и вибрацию, чтобы обеспечить низкие эксплуатационные расходы и длительный срок службы. Для дальнейшего снижения эксплуатационных расходов предпочтительны решения по управлению температурным режимом с низким энергопотреблением.

Помимо охлаждения лазера, важно также охладить поверхностные слои кожи пациента, чтобы защитить эпидермис и предотвратить термическое повреждение. Охлаждение может быть достигнуто за счет конвекции холодного воздуха, контактного охлаждения или криогенного распыления (динамического) охлаждения. Контактное охлаждение считается идеальным методом охлаждения. Более сложные косметические лазеры оснащены встроенным контактным охлаждающим устройством для уменьшения боли и эритемы, чтобы повысить комфорт пациента во время процедуры.

Термоэлектрические охладители

Термоэлектрические охладители - это активные твердотельные тепловые насосы, работающие на эффекте Пельтье. В этих термоэлектрических охладителях, часто называемых охладителями Пельтье, используется теплообменник для эффективного отвода тепла, защиты компонентов лазера и повышения производительности. Термоэлектрические охладители спроектированы с учетом размеров, эффективности, стоимости и непрерывной надежной работы, чтобы обеспечить длительный срок службы и решить проблемы проектирования. Отсутствие движущихся частей, выбор твердотельных термоэлектрических охладителей увеличивает надежность и долговечность в приложениях с сильными ударами и вибрациями, таких как портативные косметические лазеры. Эти активные охлаждающие устройства также способствуют снижению уровня рабочего шума. Для термоэлектрических охладителей не требуются линии жидкостного охлаждения, идущие к наконечнику, или шумные охладители в кабинете врача. В целом термоэлектрические охладители значительно снижают затраты на техническое обслуживание, эксплуатацию и общую стоимость владения.

Во время работы через термоэлектрический охладитель протекает постоянный ток, создавая теплопередачу и разность температур на керамических поверхностях, в результате чего одна сторона термоэлектрического охладителя остается холодной, а другая - горячей. Одноступенчатый термоэлектрический охладитель может достигать перепада температур до 70  C и передавать тепло со скоростью до 230 Вт в конфигурации 40 x 40. Чтобы увеличить мощность перекачки тепла, термоэлектрические охладители могут быть соединены рядом друг с другом в термоэлектрическую решетку.

Термоэлектрические охладители состоят из двух керамических подложек, которые служат электроизоляционными материалами и содержат полупроводниковые элементы P-типа и N-типа. Тепло поглощается в холодном спайе электронами, когда они переходят с низкоэнергетического уровня в элементе P-типа на более высокий энергетический уровень в элементе N-типа. В горячем соединении энергия отводится к теплоотводу, когда электроны перемещаются от элемента с высокой энергией к элементу с меньшей энергией. Как работают термоэлектрические охладители

Изменение полярности меняет направление теплопередачи. Термоэлектрические охладители рассчитаны на максимальные параметры (∆Tmax, Imax, Vmax и Qmax) в условиях холостого хода, с точностью регулирования температуры, достигающей ± 0,01  C в установившемся режиме. Они могут достигать температуры -100  C (6 ступеней) и перекачивать до 15 ватт на квадратный сантиметр тепла, если соединить термоэлектрические охладители в виде массива. Термоэлектрические охладители доступны в размерах от 2x2 мм до 62x62 мм и работают намного эффективнее в режиме нагрева, чем резистивные нагреватели. В отличие от традиционных компрессорных технологий, термоэлектрические охладители могут устанавливаться в любой ориентации и вписываться в ограниченное геометрическое пространство.

Термоэлектрические охладители также могут быть встроены в наконечник косметического лазера для охлаждения кожи пациента и предотвращения термических повреждений. Термоэлектрические устройства охлаждают металлические или стеклянные сапфировые пластины, встроенные в конец наконечника. Охлаждение сапфирового наконечника или охлаждение охлаждающего наконечника обеспечивает активное охлаждение на протяжении всей косметической процедуры (до, во время и после охлаждения).

В заключение

Термоэлектрические охладители обеспечивают превосходную стабилизацию температуры для поддержания максимальной производительности портативного медицинского косметического лазера. Благодаря эффекту Пельтье термоэлектрические охладители обеспечивают твердотельную работу, низкие эксплуатационные расходы и длительный срок службы. Термоэлектрики также представляют собой отличное решение для управления температурным режимом благодаря компактным размерам, отсутствию вибрации и низкой совокупной стоимости владения. Это невозможно сделать никакими другими средствами без сложной системы охлаждения.